Скважность импульса что это такое. Скважность импульса: ключевой параметр в системах управления и электронике — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое скважность импульса. Как рассчитывается скважность. Где применяется скважность импульсов. Как скважность влияет на работу электронных устройств. Какие параметры связаны со скважностью.

Содержание

Что такое скважность импульса и как она определяется

Скважность импульса — это важный параметр периодических импульсных сигналов, характеризующий отношение периода следования импульсов к их длительности. Математически скважность определяется по формуле:

S = T / t

где S — скважность, T — период следования импульсов, t — длительность импульса.

Скважность является безразмерной величиной и всегда больше единицы. Чем меньше длительность импульса по отношению к периоду, тем больше скважность.

Связь скважности с другими параметрами импульсных сигналов

Скважность тесно связана с другими характеристиками импульсных сигналов:

Коэффициент заполнения D = 1/S = t/T — величина, обратная скважности
Частота следования импульсов F = 1/T
Длительность паузы между импульсами t_п = T — t

Как связаны скважность и мощность сигнала? Средняя мощность импульсного сигнала P_ср связана с пиковой мощностью P_пик соотношением:

P_ср = P_пик / S

То есть, чем больше скважность, тем меньше средняя мощность по сравнению с пиковой.

Применение скважности в электронике и системах управления

Скважность импульсов широко используется в различных областях электроники и автоматики:

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) для управления двигателями, светодиодами и другими нагрузками
Импульсные источники питания
Радиолокационные системы
Цифровая связь
Измерительная техника

В чем преимущества использования скважности? Регулируя скважность, можно плавно изменять среднюю мощность, подаваемую на нагрузку, при постоянной амплитуде импульсов.

Влияние скважности на работу электронных устройств

Как скважность влияет на функционирование электронных схем? Рассмотрим несколько примеров:

В импульсных источниках питания увеличение скважности приводит к снижению выходного напряжения

При ШИМ-управлении двигателем уменьшение скважности снижает среднюю мощность и скорость вращения
В светодиодных драйверах изменение скважности позволяет регулировать яркость свечения

Таким образом, правильный выбор скважности критически важен для эффективной работы многих электронных устройств.

Методы измерения и генерации сигналов с заданной скважностью

Как на практике измеряют и создают сигналы с нужной скважностью? Для этого применяются следующие инструменты:

Осциллографы — для визуального наблюдения и измерения параметров импульсов
Частотомеры — для точного определения периода и частоты
Генераторы импульсов с регулируемой скважностью
Микроконтроллеры и специализированные микросхемы для ШИМ

Современные цифровые методы позволяют формировать сигналы практически с любой требуемой скважностью.

Расчет скважности и связанных параметров

Для практических расчетов удобно использовать следующие формулы:

Скважность S = T / t = 1 / D
Коэффициент заполнения D = t / T = 1 / S
Частота F = 1 / T
Длительность импульса t = T * D = T / S

Зная любые два параметра из этого набора, можно легко вычислить остальные. Это позволяет инженерам быстро рассчитывать нужные характеристики импульсных сигналов.

Особенности применения скважности в различных областях

В разных сферах техники скважность используется по-своему:

В силовой электронике типичные значения скважности составляют 2-10
В цифровых системах часто применяются сигналы со скважностью 2 (меандр)
Радиолокационные импульсы могут иметь скважность 100 и более
В светодиодных драйверах скважность может меняться от 1 до 1000 для регулировки яркости

Выбор оптимальной скважности зависит от конкретного применения и требуемых характеристик системы.

Перспективы развития технологий, использующих скважность

Какие тенденции наблюдаются в применении скважности? Можно выделить следующие направления:

Повышение частоты и уменьшение длительности импульсов в цифровых системах
Развитие методов цифрового формирования сигналов с прецизионной скважностью
Применение адаптивного управления скважностью в системах с обратной связью
Использование сложных законов модуляции скважности для повышения эффективности устройств

Совершенствование технологий работы со скважностью открывает новые возможности для создания более эффективных и интеллектуальных электронных систем.

Понятие скважности импульса и коэффициента заполнения

Содержание

1 Что такое ШИМ
2 Применение
3 Видео

Общеизвестно, что регулировать количество оборотов электродвигателя можно периодическим включением и отключением его от энергосети, кроме того при изменении времени включения и отключения можно задавать дополнительные параметры скорости. Это явление характерно не только для электродвигателя – его действие можно заметить во всех потребителях тока, способных запасать энергию, иначе говоря, инерционных системах.

Скважность

Принцип широтно-импульсной модуляции основан именно на этом эффекте, он нашёл себе достаточно широкое применение при управлении электротехническими устройствами и источниками освещения, где требуется циклическая подача энергии. В английском языке этот принцип получил название – Pulse-Width Modulation.

Что такое ШИМ

Что такое электрический импульс? Это резкий конечный всплеск напряжения в системе. Поскольку он конечен, то он имеет начало, обычно называемое фронтом, ширину и спад, его окончание, период.

Такие всплески можно охарактеризовать следующими параметрами:

периодичность – это временной период до фронта следующего импульса, обозначается литерой T;
скважность – отношение периода к ширине, это величина безразмерная и выражается чаще всего в процентах, на схеме можно обозначить участок между спадом первого импульса и фронтом нового, обозначается литерой S;
частота сигнала – количество всплесков за определённый промежуток времени, величина, обратная периоду колебаний;
ширина импульса – период времени, в течение которого его амплитуда стабильна;
коэффициент заполнения – значение, обратное скважности, обычно обозначается в формулах литерой t.

Таким образом, скважность импульса – это соотношение:

S = T/t.

Благодаря этому, широтно-импульсная модуляция позволяет управляемо изменять напряжение в системе от нулевого значения до максимальной амплитуды сигнала, это используется для установки оптимальных режимов работы инерциальных систем.

Схема

Применение

Генератор импульсов

Для формирования прямоугольных колебаний применяется микросхема аналогового типа или чип-контроллер. Сами колебания управляют только нагрузкой, идущей от источника тока. Подключение производится через ключевую схему на полупроводнике. Ключ имеет всего два состояния: либо он включён в сеть, либо размыкает её.

Грубо говоря, все зависит от характеристик колебаний. Так, если светильник подключен через подобную схему, то при низкой частоте работы устройства лампа будет мигать с определенной периодичностью, но при превышении её сверх 50Гц в человеческих глазах отдельные всплески света сольются в одно ровное свечение. Это особенность человеческого глаза, который не улавливает колебания свыше этого значения. Но и яркость свечения можно регулировать. Чем ниже коэффициент заполнения, а, следовательно, и значение, обратное ему, тем меньше яркость свечения источника.

Аналогичный пример можно использовать и с двигателем постоянного тока, под управлением широтно-импульсного регулятора. При этом низкая частота приведёт к снижению оборотов двигателя, в то время как высокая – к его эффективной работе. Для её достижения используются ключи-полупроводники, обладающие значительным быстродействием и низким коэффициентом проводимости, так как в противном случае возможно запаздывание сигнала.

При необходимости сигналы схемы импульсного регулятора можно усреднять, для этого используются фильтры низких частот, но при подключении двигателя с большой механической инерцией и хорошим значением индуктивности. В этом случае снижение амплитуды и частоты происходит самопроизвольно.

Скважность, а также её обратное значение зависят от уровня моделирующего сигнала, частота таких устройств определяется частотой дублирующего генератора, подающего дополнительный сигнал.

Генератор для получения скважности

Видео

Оцените статью:

Что такое скважность импульсов и как её определить

Онлайн калькуляторы перевода длительности импульсов в скважность и, наоборот –
скважности в длительность

Электрические сигналы, которые имеют только 2 допустимых состояния (низкого уровня – «0» или высокого уровня – «1») называются импульсными. Одним из важных параметров периодического импульсного процесса является скважность импульсов.

Скважность (S) – это безразмерная величина, характеризующая некоторые свойства периодического импульсного сигнала.
Рассчитывается значение скважности – как отношение его периода повторений (Т) к длительности импульса (tи).
Длительностью импульсного сигнала считается временной интервал высокого (по отношению к показателю основания импульса) уровня напряжения (Рис.1).

Поскольку длительность импульса не может превышать его период, то, как следует из определения, значение скважности всегда должно быть больше единицы!

Если длительность импульса равна половине периода, то скважность равна двум, а сам такой сигнал является симметричным и называется меандром.

Рис.1 Форма импульсного сигнала и примеры импульсов различной скважности

Иногда в радиотехнике используется величина, обратная скважности, называемая коэффициентом заполнения (D).
Таким образом, для импульсного сигнала справедливы следующие простейшие соотношения:

S = T/t_имп ;
D = 1/S = t_имп/T ;
T = t_имп + t_паузы ;
F = 1/T ,

где S – это скважность импульсов, D – коэффициент заполнения, Т – период, t

имп – длительность высокого (положительного) уровня импульса, t_паузы – длительность низкого (отрицательного) уровня.

Сдобрим пройденный материал парой незамысловатых онлайн калькуляторов.

ОНЛАЙН КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСА ПО ЧАСТОТЕ И СВАЖНОСТИ

Частота колебаний (F)		ГцкГц (10³ Гц) МГц (10⁶ Гц) ГГц (10⁹ Гц)
Скважность (S > 1)

Период (Т)
Длительность импульсов (t_имп)
Длительность паузы (t_паузы)

А теперь для тех, кто измерил длительности импульсов – всё то же самое, только наоборот:

ОНЛАЙН КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА СКВАЖНОСТИ ПО ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСА

Длительность импульсов (t_имп)		секмсек (10⁻³ сек)мксек (10⁻⁶ сек)нсек (10⁻⁹ сек)
Длительность паузы (t_паузы)		секмсек (10⁻³ сек)мксек (10⁻⁶ сек)нсек (10⁻⁹ сек)

Период (T)
Частота (F)
Скважность (S)

Справочник по разработке систем радиоэлектронной борьбы и радиолокационных систем — рабочий цикл

[Перейти к оглавлению]

РАБОЧИЙ ЦИКЛ

Рабочий цикл (или коэффициент заполнения) — это мера доли времени, в течение которого радар ведет передачу. Это важно, потому что относится к пику и средней мощности при определении полной выработки энергии. Это, в свою очередь, в конечном итоге также влияет на силу отраженного сигнала. как требуемая мощность источника питания и требования к охлаждению преобразователя.

Хотя есть и исключения, большинство радиочастот (RF) измерения проводятся либо в непрерывном режиме (CW), либо в импульсном RF. CW RF — это непрерывный RF, например, от генератора. Амплитудно-модулированный (AM), частотно-модулированные (ЧМ) и фазово-модулированные (ФМ) РЧ считаются непрерывными, поскольку РЧ присутствует постоянно. Мощность может меняться со временем из-за модуляции, но РЧ присутствует всегда. Импульсная РЧ, с другой стороны, представляет собой всплески (импульсы) РЧ без присутствия РЧ между всплесками. Большинство общий случай импульсного RF состоит из импульсов фиксированной ширины импульса (PW), которые приходят через фиксированный интервал времени или период (T). Для ясности и Для упрощения этого обсуждения предполагается, что все РЧ-импульсы в последовательности импульсов имеют одинаковую амплитуду.

Импульсы поступают через фиксированный интервал времени со скоростью или частотой, называемой частотой повторения импульсов (PRF) определенного количества импульсов в секунду. Интервал повторения импульсов (PRI) и PRF взаимно обратны друг другу.

[1] PRF = 1/T = 1/PRI

Измерения мощности классифицируются как пиковая импульсная мощность, P _p , или средняя мощность, P _a . фактическая мощность в импульсном РЧ возникает во время импульсов, но большинство методов измерения мощности измеряют эффекты нагрева РЧ-энергии, чтобы получить среднее значение мощности. Правильно использовать любое значение для справки, если постоянно используется одно или другое значение. Часто нужно конвертировать из P _p до P _ave или наоборот; поэтому отношения между ними должны быть поняты. На рис. 1 показано сравнение между P _p и P _ave.

Рис. 1. Последовательность РЧ-импульсов

Среднее значение определяется как такой уровень, при котором площадь импульса выше среднего равна площади ниже среднего между импульсами. Если импульсы выравниваются таким образом, чтобы заполнить область между импульсами, полученный уровень является средним значением, как показано на рисунке 1, где заштрихованная область импульса используется для заполнения области между импульсами. Площадь импульса — это ширина импульса, умноженная на пиковый импульс. сила. Средняя площадь равна среднему значению мощности, умноженному на период импульса.

С два значения равны:

[2] P _ave x T = P _p x PW

или

[3] P _ave /P _p = PW/T

Использование [1]

[4] P _ave /P _p = PW/T = PW x PRF = PW/PRI = рабочий цикл

(обратите внимание, что в большинстве справочников символ τ обозначает ширину импульса (PW))

Отношение средней мощности к пиковой импульсной мощности представляет собой рабочий цикл и представляет собой процент времени, в течение которого присутствует мощность. в в случае прямоугольной волны рабочий цикл составляет 0,5 (50%), поскольку импульсы присутствуют 1/2 времени, определение прямоугольной волны.

Для На рисунке 1 ширина импульса равна 1 единице времени, а период равен 10 единицам. В этом случае рабочий цикл равен:

PW/T = 1/10 = 0,1 (10%).

Более типичным случаем будет частота повторения импульсов 1000 и длительность импульса 1,0 микросекунды. Используя [4], рабочий цикл составляет 0,000001 x 1000 = 0,001. ВЧ-мощность присутствует в одну тысячную часть времени, а средняя мощность в 0,001 раза превышает пиковую мощность. Наоборот, если бы мощность измерялась с помощью измеритель мощности, который реагирует на среднюю мощность, пиковая мощность будет в 1000 раз превышать среднее значение.

Помимо указания рабочего цикла как отношение, полученное в уравнении [4], оно обычно выражается либо в процентах, либо в децибелах (дБ). Чтобы выразить рабочий цикл уравнения [4] в процентах, умножьте полученное значение на 100 и добавьте символ процента. Таким образом, рабочий цикл 0,001 также равен 0,1%.

Долг цикл может быть выражен логарифмически (дБ), поэтому его можно добавлять или вычитать из мощности, измеренной в дБм/дБВт, а не преобразовывать в, и с использованием абсолютных единиц.

[5] Рабочий цикл (дБ) = 10 log(рабочий цикл коэффициент)

Для примера рабочего цикла 0,001 это будет 10 log(0,001) = -30 дБ. Таким образом, средняя мощность будет на 30 дБ меньше, чем пиковая мощность. И наоборот, пиковая мощность на 30 дБ выше средней мощности.

Для импульсных радаров, работающих в диапазоне ЧПИ 0,25–10 кГц и радары ЧР, работающие в диапазоне частот повторения импульсов 10–500 кГц, типичные рабочие циклы будут следующими:

Импульс: 0,1–3 % = 0,001–0,03 = от -30 до -15 дБ

Импульсный допплер: 5–50 % = 0,05–0,5 = от -13 до -3 дБ

Непрерывная волна: 100% = 1 = 0 дБ

Ширина полосы промежуточных частот типичных сигналов:

Импульс от 1 до 10 МГц

ЛЧМ или фазово-кодированный импульс от 0,1 до 10 МГц

CW или PD от 0,1 до 5 кГц

PRF обычно подразделяют на следующие категории: Низкие 0,25-4 кГц; Средние 8-40 кГц; Высокие 50-300 кГц.

Содержание справочника по радиоэлектронной борьбе и радиолокации

Эта HTML-версия может быть распечатана, но не может быть воспроизведена на веб-сайтах.

Сигнал рабочего цикла с широтно-импульсной модуляцией

Ричард Хокинс, сотрудник MACS

На прошлой неделе мы исследовали, как регулируется выходная мощность компрессоров переменного рабочего объема с электронным управлением. Это, конечно, было сделано с помощью сигнала рабочего цикла с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), подаваемого компьютером на регулирующий клапан компрессора.

Несколько лет назад, когда автомобили, использующие эти компрессоры, только начали регулярно появляться в магазинах для обслуживания, мы искали подробную информацию об их поведении для использования в клиниках. В наличии было не так много, поэтому мы одолжили несколько автомобилей и сняли несколько видео. Ниже приведены некоторые клинические слайды, созданные на основе одного из этих видеороликов.

В этом видео использовалось следующее оборудование:

Устройство R/R/R для контроля высокого и низкого давления на стороне.
Сканер системы компрессора электрической системы управления вторичного рынка для контроля сигнала рабочего цикла ШИМ, подаваемого на регулирующий клапан компрессора.
Вольтметр для иллюстрации корреляции между сигналом рабочего цикла ШИМ и показаниями напряжения, снятыми с цепи, подающей сигнал рабочего цикла ШИМ на регулирующий клапан.

Цель этого видео состояла в том, чтобы проиллюстрировать влияние изменения тепловой нагрузки на сигнал рабочего цикла ШИМ, показания напряжения и давление в системе. Чтобы использовать «Сканер системы компрессора электрической системы управления», нам сначала нужно было отсоединить электрический разъем, прикрепленный к регулирующему клапану. Затем следующим шагом был выбор подходящих электрических адаптеров для подключения в линию в цепи, подающей сигнал на регулирующий клапан. Вольтметр был подключен к той же цепи путем обратного зондирования одного из разъемов с Т-образными контактами. Пожалуйста, смотрите картинку №1.

Изображение №1: «Сканер системы компрессора электрической системы управления» и различные адаптеры, поставляемые с ним.

«Сканер системы компрессора электрической системы управления» имеет возможность ручного управления компрессором, но в этом видео он использовался только для контроля сигнала рабочего цикла ШИМ. Компьютер автомобиля управлял компрессором. Здесь важно помнить, что изменения тепловой нагрузки должны приводить к изменениям рабочего цикла, напряжения и показаний давления в системе. Слайды из этого видео прекрасно это иллюстрируют. Пожалуйста, смотрите картинку №2.

Изображение № 2: Примеры того, как рабочий цикл может измениться при увеличении тепловой нагрузки на систему.

Мы начинаем с того, что даем системе поработать около 10 минут, чтобы снизить температуру воздуха в салоне до 70 градусов и система стабилизировалась. Пожалуйста, смотрите картинку №3.

Изображение № 3. Вот как все выглядело после стабилизации системы. При закрытых окнах, системе, работающей в режиме рециркуляции и низкой скорости вентилятора, она находится в режиме низкой тепловой нагрузки

. Следующим шагом было перевести систему в режим высокой тепловой нагрузки. Это было достигнуто путем открытия окон, переключения с режима рециркуляции на режим наружного воздуха и увеличения скорости вентилятора. Рабочий цикл и напряжение начали увеличиваться примерно через 10 секунд после изменения тепловой нагрузки. Пожалуйста, смотрите картинку №4.

Изображение №4. Вот как все выглядело после запуска системы в режиме высокой тепловой нагрузки в течение 30 секунд.

Рабочий цикл и напряжение продолжали неуклонно увеличиваться, и в общей сложности потребовалось около 2 минут, чтобы рабочий цикл достиг 100%, а напряжение достигло максимального значения 12,83. См. рисунок №5.

Изображение #5: Вот как все выглядело после того, как система проработала в условиях высокой тепловой нагрузки еще 1,5 минуты.

После того, как система работала со 100% рабочим циклом в течение 2 минут, следующим шагом было перевести систему обратно в режим низкой тепловой нагрузки. Это было сделано путем закрытия окон, перевода системы обратно в режим рециркуляции и понижения скорости вентилятора. После внесения этого изменения рабочий цикл и напряжение начали уменьшаться примерно через 10 секунд. Пожалуйста, смотрите картинку №6.

Изображение № 6. Вот как все выглядело после запуска системы в режиме низкой тепловой нагрузки в течение 30 секунд.

Рабочий цикл и напряжение продолжают неуклонно снижаться. В общей сложности потребовалось около 3,5 минут, чтобы рабочий цикл и напряжение вернулись к приблизительным уровням, с которых мы начали. Пожалуйста, смотрите картинку №7.

Изображение №7. Вот как все выглядело после запуска системы в режиме низкой тепловой нагрузки еще на 3 минуты.

Подводя итог:

Наблюдалось стабильное увеличение рабочего цикла и напряжения при увеличении тепловой нагрузки от низкой до высокой.
Наблюдалось стабильное снижение рабочего цикла и напряжения при изменении тепловой нагрузки с высокой на низкую.
Наблюдалось медленное увеличение давления на стороне высокого давления по мере увеличения рабочего цикла и напряжения при изменении тепловой нагрузки с низкой на высокую.
Наблюдалось медленное снижение давления на стороне высокого давления, поскольку рабочий цикл и напряжение уменьшались при изменении тепловой нагрузки с высокой на низкую.